聲波仍是目前可以在水下進行遠距離傳輸的形式,水聽器也稱水聲接收換能器，可以將聲波信號轉換為電信號,是進行水下探測的關鍵部件。矢量水聽器與標量水聽器相比可以測量聲場中的矢量信息,抑制環境中的各向同性噪聲而成為未來的發展方向。
        聲波的頻率越高在在水中的衰減速率越快,隨著對潛艇探測距離要求越來越遠,水聽器的工作頻率也越來越低。UUV等小型搭載平臺在工作時不可避免地會受到海浪、洋流等外部沖擊的影響,水聽器可以抑制振動干擾是其實際應用的基礎。要實現對潛艇的準確定位,水聽器應可以測量三維空間的聲波信號,再考慮到UUV的搭載能力有限,水聽器應當是一種單片集成三維MEMS水聽器。
        中北大學基于仿生原理提出的壓阻式仿生MEMS矢量水聽器,具有體積小、成本低和低頻響應特性好的特點,在聲納系統中具有較好的應用前景。但是當前的仿生MEMS矢量水聽器不能同時實現三維空間聲波測量和抑制振動干擾。 針對此問題本文設計了單片集成的、可以抑制面內振動干擾的仿生MEMS三維矢量水聽器。
(1)提出了一種可以抑制振動干擾的仿生MEMS三維矢量水聽器。
水聽器是一種“纖毛-支撐塊-八梁”結構,纖毛可敏感X方向和Y方向的聲波信號,支撐塊可以敏感Z方向的聲波信號。通過封裝,X/Y方向的聲波信號可以作用到纖毛上而不能作用到支撐塊到上。然而,水聽器受到的X/Y方向振動干擾可以同時作用到纖毛和支撐塊上,纖毛和支撐塊對梁的彎矩可以相互抵消,從而減小了梁表面壓敏電阻所受到的應力,有效地降低了水聽器受到振動干擾輸出的信號。
(2)建立了抑制面內振動干擾的仿生MEMS三維矢量水聽器數學模型。
建立了水聽器受到X/Y方向和Z方向聲波信號、振動信號時梁縱向應力的數學模型。建立了求解水聽器前三階固有頻率的數學模型。
(3)抑制面內振動干擾的仿生MEMS三維矢量水聽器的有限元仿真。
仿真分析了梁的長度、寬度、厚度,纖毛的半徑和高度、支撐塊的長度和厚度對水聽器性能的影響。綜合考慮不同結構參數對水聽器性能的影響,設計了水聽器的具體結構尺寸。對所設計的水聽器和傳統的水聽器進行了靜態、模態、諧響應和瞬態響應仿真,驗證了數學理論模型的準確性。
(4)抑制面內振動噪聲的仿生MEMS三維矢量水聽器的加工。
仿真分析了不同工藝參數對加工結果的影響;制定了水聽器芯片的加工流程和工藝參數并完成了纖毛與芯片的集成。
(5)抑制面內振動噪聲的仿生MEMS三維矢量水聽器測試。
駐波桶測試結果表明,X、Y和Z三個通道的聲學靈敏度400Hz時分別為-182dB、-187dB和-160dB(0dB=1V/μPa),凹點深度分別為34dB、35dB和33dB。振動臺測試結果表明本文設計的水聽器相對于傳統結構的水聽器振動噪聲靈敏度在100Hz降低了約92%。水聽器同時受到聲波信號和振動干擾時的實驗結果表明,本文設計的水聽器可以有效地抑制面內振動干擾的影響。

圖文展示1：纖毛結構的參數對諧振頻率和應力的影響分析。

(a) 微結構敏感機理示意圖；(b) 不同纖毛結構參數對諧振頻率的影響；(c) 不同纖毛結構參數對梁上ZUI大應力的影響
圖a為OVH對聲音信號敏感的機理示意圖。在該聲電換能器結構中，聲波將介質顆粒的振動傳遞到仿生纖毛結構上中，因此，纖毛結構參數對水聽器的性能有很大的影響，對纖毛結構進行了全參數優化分析是非常有必要的。圖b為通過模態分析得到的共振頻率與纖毛各結構參數的關系，從中可看出，共振頻率隨纖毛半徑、內球半徑的增加而增大，隨纖毛高度、外球半徑的降低而減小。圖c為通過靜力分析得到的梁上ZUI大應力與纖毛各結構參數的關系，隨著纖毛高度、外球半徑的增加，梁上ZUI大應力顯著增大。這些結果可為纖毛的設計提供理論指導，尋求*結構。

圖文展示2：敏感微結構梁上應力的仿真和比較。

(a) 外部應力沿X方向作用到纖毛上時十字梁上應力分布圖；(b) 不同結構的水聽器梁上應力分布比較

在確定纖毛的微結構參數之后，沿著X梁的方向對微結構施加一外部載荷，得到整個微結構上的應力分布如上圖a所示。可見，x方向梁上應力ZUI大的區域分布在梁的根部附近，y方向的梁上基本無應力產生，從而可以實現聲信號的矢量探測。圖b為不同結構的纖毛式水聽器梁上應力比較圖，相比于之前報道的LVH、CuVH和WIVH，可以看出OVH的ZUI大應力明顯更高，這意味著OVH的靈敏度要高于其他同類型的水聽器。

圖文展示3：OVH十字梁敏感微結構的MEMS工藝流程圖。

十字梁是MEMS水聽器的關鍵部位之一，十字梁上分布著壓敏電阻，梁的尺寸參數將直接影響水聽器的性能。因此，采用MEMS微納制造工藝來加工十字梁結構，其具體工藝流程如上圖所示。主要步驟包括：1.對SOI片進行雙面熱氧化；2.進行DI一次光刻，窗口部分留40nm厚的SiO2；3.硼粒子輕摻雜；4.第二次光刻，硼離子重摻雜；5.移除表面SiO2，退火；6.金屬濺射，第三次光刻，形成歐姆接觸區域；7.第四次光刻，刻蝕纖毛孔；8.第五次光刻，正面刻蝕梁結構；9.第六次光刻，背面刻蝕，釋放梁結構。

圖文展示4：OVH的實驗測試結果。

(a) 十字梁微結構在顯微鏡下的照片，十字梁、壓敏電阻、金屬線以及纖毛孔清晰可見；(b) 集成到十字梁結構上的聽石狀纖毛； (c) 集成到PCB板和封裝管殼中的芯片；(d) 接收靈敏度-頻率響應曲線；(e) 100 Hz指向性圖，3dB極寬為87°；(f) 10 MPa靜水壓力測量裝置； (g) 經10MPa測試后的聽石狀纖毛結構； (h) 10MPa壓力測試下獲取的數據

圖a-c展示了OVH的制造封裝圖。圖a為顯微鏡下的十字梁敏感微結構照片，梁結構懸空，壓敏電阻分布在梁表面。圖b為聽石狀纖毛與十字梁結構集成圖。圖c為封裝好的OVH實物圖。圖d為不同MEMS水聽器的接收靈敏度-頻率響應曲線圖?？梢杂嬎愕玫?，在測量范圍內，OVH的平均等效聲壓靈敏度達到了-173.8 dB (0 dB@1 V/μPa)，該靈敏度相比于LVH、CuVH和WIVH，分別增加了3.2dB、7.5dB和13.6dB。圖e為100 Hz時OVH的指向性圖，呈現出典型的余弦指向性，3 dB極寬為87°。圖f-h為對OVH進行的耐靜水壓力測試，在對OVH施加10MPa的靜水壓力后，聽石狀纖毛微結構形狀并未改變（圖g），且從OVH的輸出信號中可清晰地分辨出施加在打壓桶壁上的敲擊信號，驗證了OVH在10MPa水壓力下工作的可行性。

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